汽輪機(jī)缸體常見(jiàn)材質(zhì)及焊接工藝介紹

張洪

摘要：汽輪機(jī)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)力設(shè)備，由于設(shè)備缸體在運(yùn)行環(huán)境中，每個(gè)部位接觸的蒸汽溫度和壓力不盡相同，因此，在材料使用和焊接工藝上也存在差異。本文從材料的焊接性、焊材的選擇和焊接工藝等方面，系統(tǒng)地介紹了汽輪機(jī)缸體缺陷的焊接修復(fù)工藝。

Abstract： The steam turbine is a kind of power equipment with complex structure. Because the steam temperature and pressure in each part of the cylinder body of the equipment are different in the operating environment， there are also differences in material use and weiding process.This article systematically introduces the welding repair technology of steam turbine cylinder body defects from the aspects of material weldability，welding material selection and welding technology.

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);缸體;缺陷;焊接修復(fù)

Key words： power station;steam turbine;defect;welding repair

中圖分類號(hào)：TK265;TG47? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0126-02

0? 引言

汽輪機(jī)在能源工業(yè)中依然發(fā)揮著重要的作用，由于汽輪機(jī)缸體各部位接觸的蒸汽溫度和壓力不同，因此，不同位置的缸體材料和相關(guān)性能指標(biāo)也不盡相同。我公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)，低壓缸一般采用ZG230-450材質(zhì)或碳鋼材質(zhì)焊接缸體，而高壓缸缸體材質(zhì)主要以鉻鉬鑄鋼體或鉻鉬釩鑄鋼體為主（如：ZG20CrMoV、ZG15Cr2Mo1、ZG15Cr1Mo1V等）。隨著蒸汽溫度和壓力的增加，對(duì)應(yīng)的汽缸材料的性能也要不斷增加，以滿足力學(xué)性能的持久性要求，同時(shí)，在材料性能的穩(wěn)定性和抗蠕變性方面也要具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具備良好的焊接性和抗氧化能力，只有汽輪機(jī)缸體滿足相關(guān)性能要求時(shí)，才能長(zhǎng)期在工況中安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

1? 汽輪機(jī)缸體焊接性能的影響因素

首先是組織結(jié)構(gòu)的影響。鑄鋼的組織結(jié)構(gòu)呈柱狀晶體分布，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)熱處理，可以獲得均勻的鐵素體和珠光體組織，由于鑄鋼件通常是一次成型，在成型過(guò)程中容易產(chǎn)生各種鑄造缺陷，而且缸體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性大、厚壁并且應(yīng)力復(fù)雜等特點(diǎn)，給后期局部鑄造缺陷的焊接修復(fù)帶來(lái)不小的困難。

其次是化學(xué)元素的影響。我公司的汽輪機(jī)缸體主要采用鑄鋼件，材質(zhì)以珠光體耐熱鋼為主，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1所示，這些缸體中的合金元素主要有Cr、Mo、V等，不同的元素在不同的溫度區(qū)間產(chǎn)生的反應(yīng)不一樣，帶來(lái)的影響也不盡相同。

耐熱鋼中的鉻和鉬元素能顯著提高鋼的淬硬傾向，鉬的作用比鉻約大50倍，它們延遲了鋼在冷卻過(guò)程中的轉(zhuǎn)變，焊縫及熱影響區(qū)容易出現(xiàn)淬硬組織，當(dāng)焊件剛性較大及接頭內(nèi)應(yīng)力大時(shí)，容易產(chǎn)生冷卻裂紋。珠光體耐熱鋼具有較強(qiáng)的再熱裂紋敏感性，在焊后熱處理過(guò)程中，因拘束應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形量大于該部位的高溫塑性時(shí)，在接頭的熱影響區(qū)就會(huì)產(chǎn)生沿晶開(kāi)裂的再熱裂紋。

最后是預(yù)熱和焊后熱處理工藝。為了防止冷裂紋和消除近縫區(qū)的淬硬，預(yù)熱與焊后熱處理溫度十分重要，這不僅取決于鋼的化學(xué)成分，而且與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)拘束度等因素相關(guān)。所以，必須結(jié)合具體情況來(lái)確定預(yù)熱溫度和焊后熱處理溫度，我公司采用的預(yù)熱溫度和熱處理溫度見(jiàn)表2所示。汽輪機(jī)缸體一般具有產(chǎn)品體積較大、厚壁、形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，這就導(dǎo)致在缸體缺陷的修復(fù)過(guò)程中，無(wú)法根據(jù)要求進(jìn)行焊接前的預(yù)熱或者焊接的后熱處理，那么，怎樣防止和避免裂紋的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，是鑄鋼體修復(fù)面臨的重要困境。為了有效防止裂紋的產(chǎn)生，需要在焊接前后注意以下幾點(diǎn)：①注意淬硬組織影響。碳化物形成元素和碳含量是該工序中尤為重要的兩個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)和焊接冷卻速度的快慢都會(huì)影響淬硬組織的效果，預(yù)熱可以降低T8/5的冷卻速度，以獲得更好的珠光體組織。②減少氫含量的影響。在焊接中，要選擇低氫焊條，焊后及時(shí)進(jìn)行消氫處理，通過(guò)溫度控制，以便達(dá)到去氫的效果。③控制焊接接頭的塑性和韌性，避免在熔合區(qū)產(chǎn)生裂紋。

2? 焊接材料的選擇

汽輪機(jī)缸體的常見(jiàn)材料是耐熱鋼，其主要合金成分是鉻、鉬、釩等每個(gè)元素的性能不一樣，如Cr提高材料的耐腐蝕性，使材料中的碳化物更加穩(wěn)定，減緩碳的擴(kuò)散，防止材料組織石墨化。Mo和V是鋼材料中主要的強(qiáng)碳化物形成元素，起固熔強(qiáng)化作用，能夠顯著提高材料的熱強(qiáng)度。在焊接材料的選用上，如果選擇等強(qiáng)同質(zhì)的焊接材料，那么就必須在焊接的前后進(jìn)行預(yù)熱和焊接后熱處理，但是由于汽輪機(jī)缸體的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不同的部位在材質(zhì)和性能上要求不一樣，很難進(jìn)行有效的溫度控制，一旦升溫和降溫執(zhí)行出現(xiàn)偏差就會(huì)產(chǎn)生新的裂紋，而且當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，部分區(qū)域的缸體可能會(huì)出現(xiàn)變形的風(fēng)險(xiǎn)，影響產(chǎn)品的交付甚至出現(xiàn)報(bào)廢的可能，因此，在采用等強(qiáng)同質(zhì)焊接材料時(shí)，存在較大的產(chǎn)品質(zhì)量和安全隱患，不太適用于汽輪機(jī)缸體局部鑄造缺陷的修補(bǔ)作業(yè)。鑒于此，我們可以考慮選擇異質(zhì)焊接材料，施行冷補(bǔ)焊工藝。為了防止產(chǎn)生冷裂紋，可以選擇奧氏體鋼焊材，主要型號(hào)有：E310-15（A407）、E16-25MoN-15（A507）等。采用奧氏體焊條焊接的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：這種焊接方式能夠?qū)崿F(xiàn)近常溫焊接，改善焊工的工作環(huán)境，減少熱處理的工序，能有效提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，而且在采用奧氏體焊條焊接的過(guò)程中，通常只需要輸入較小的熱量，從而減小了焊接接頭的淬硬傾向。對(duì)于奧氏體焊條的使用壽命，主要受幾個(gè)方面的影響，如焊接工藝以及材料的物理性能，以及材料的線性膨脹系數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，母材和焊接材料的線膨脹系數(shù)差值越大，那么焊接頭的使用壽命就越短。在選用異質(zhì)材料進(jìn)行焊接時(shí)，需要注意接頭的淬硬和熱裂紋傾向。由于焊縫與母材線膨脹系數(shù)不同以及在高溫下長(zhǎng)期工作時(shí)有碳的擴(kuò)散遷移問(wèn)題，因此在交變溫度下工作時(shí)易導(dǎo)致熔合區(qū)的開(kāi)裂。另外，長(zhǎng)期高溫工作還可能引起焊縫中的σ相脆化。這些問(wèn)題都是在選用奧氏體鋼焊條時(shí)所要考慮的。

3? 焊接修復(fù)

汽輪機(jī)缸體的焊接修復(fù)主要包含三個(gè)過(guò)程，第一是缺陷的發(fā)現(xiàn)和去除階段，第二階段是缺陷的焊接修補(bǔ)階段，最后一個(gè)階段是焊后驗(yàn)收階段。

首先，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷狀況，采用著色滲透探傷（條件允許的情況下可采用超聲波探傷輔助進(jìn)行）來(lái)確定缺陷的大小、位置、方向和深度等，之后再使用碳弧氣刨、切割打磨或者機(jī)床加工方式去除缺陷，使用碳弧氣刨去除缺陷時(shí)務(wù)必打磨去除滲碳層后方可焊接。缺陷清除干凈后按工藝要求制備焊接坡口，各平面之間務(wù)必平滑過(guò)渡，不得有尖銳過(guò)渡和死角存在。

其次，采用冷補(bǔ)焊工藝進(jìn)行缺陷的焊接修補(bǔ)。在焊接材料的選擇上，應(yīng)遵循的原則主要包括以下幾點(diǎn)：

①焊接材料的材質(zhì)與母材的材質(zhì)在膨脹系數(shù)上盡量保持一致;

②在使用奧氏體焊條時(shí)，需要注意避免出現(xiàn)熱裂紋;

③焊接材料需要具備工藝性能優(yōu)越，易于引弧，脫渣性能較好，在塑性和韌性上表現(xiàn)優(yōu)越等特點(diǎn)。當(dāng)然，對(duì)于母材的材質(zhì)缺陷情況，氧化變質(zhì)的程度等也是焊接材質(zhì)選擇的一個(gè)重要參考因素。

在焊接工藝方面，針對(duì)鑄件產(chǎn)品缺陷的焊接修復(fù)，主要考慮以下幾個(gè)方面：

①缺陷清除干凈，并按要求制備坡口后對(duì)缺陷部位及周邊進(jìn)行100%著色滲透探傷檢驗(yàn)，確保缺陷去除干凈后方可實(shí)施焊接;

②施焊前待焊處及周邊30mm范圍去凈鐵銹、油污、滲碳層、氧化物等雜物，露出金屬光澤;

③焊接過(guò)程中盡量采用小參數(shù)焊接，控制層間溫度，減少焊接熱輸入;

④采用多層多道、對(duì)稱焊接等方法，分層捶擊去除焊接應(yīng)力（打底層和蓋面層不允許捶擊）;

⑤焊后及時(shí)施行緩冷措施，減緩焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度。

最后，在焊接驗(yàn)收方面，對(duì)汽輪機(jī)缸體缺陷修復(fù)部位進(jìn)行焊接處理后，通過(guò)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的驗(yàn)收，如硬度、無(wú)損探傷、產(chǎn)品表面檢查等，由于汽輪機(jī)缸體的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，而且表面粗糙，當(dāng)前能夠適用的質(zhì)量檢測(cè)方法并不多，在焊后驗(yàn)收上，通常只對(duì)其表面硬度和焊接表面的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)收。采用著色滲透探傷驗(yàn)收其表面質(zhì)量，有條件的情況下方可采用超聲波探傷驗(yàn)收其內(nèi)部質(zhì)量。

4? 結(jié)束語(yǔ)

汽輪機(jī)缸體鑄件材料品種繁多，品質(zhì)各異，性能指標(biāo)也不盡相同，在材料的選擇上應(yīng)該全面認(rèn)真的進(jìn)行篩選，選擇能夠滿足產(chǎn)品性能指標(biāo)的材料。在焊接和熱處理工藝制定中，應(yīng)該全面考慮材料的性能，以及母材的氧化和受腐蝕的程度，在焊接過(guò)程中更要注意預(yù)熱溫度的控制等。掌握設(shè)備所接觸的外部環(huán)境狀況，對(duì)缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行認(rèn)真分析，在焊接材料上，使用高塑性高韌性的焊接材料，從缸體的材質(zhì)結(jié)構(gòu)、工況等各方面進(jìn)行分析。同時(shí)制定好各個(gè)工藝的實(shí)施順序，保證焊接的質(zhì)量，提高設(shè)備的使用性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧超，葛兆祥.電站汽輪機(jī)缸體常見(jiàn)材質(zhì)及焊接工藝介紹[J].江蘇電機(jī)工程，2008（03）：81-84.

[2]陳祝年編著.焊接工程師手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]焊接手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.